Departamento de Ciência da ComputaçãoInstituto de Computação

Universidade Federal Fluminense

Saching Katti, Hariharan Rahul, Wenjun Hu, Dina Katabi, Muriel Médard, Jon Crowcroft

Em IEEE/ACM Transactions on Networking, VOL. 16, NO. 3, Junho 2008

Apresentador: Igor C. G. Ribeiro

XORs in the Air: Practical Wireless Network Coding

Computação Móvel 2012/1

• O artigo introduz o COPE;

• Nova arquitetura de encaminhamento de pacotes;

• Utiliza codificação de redes;

• Aumenta o throughput em redes em malha sem fio estacionárias.

Introdução

Motivação

Como enviar mais informações utilizandomenos transmissões?

Motivação

Redução de 4 transmissões para 3.Pode-se aproveitar a transmissão extra

para enviar mais dados.Seria interessante combinarmos mais

pacotes para reduzir ainda mais o número de transmissões.

Ideia

Nós em modo promíscuo podem capturaro tráfego dentro de sua área de cobertura.

Pacotes capturados são armazenadospor um determinado intervalo de tempo.Resultado: Cada nó conhece um númeromaior de pacotes, favorecendo assim a

codificação.

COPE – Visão Geral

Aplicação

Transporte

Rede

Enlace

Física

Aplicação

Transporte

Rede

Enlace

Física

Codificação

1. Audição Oportunista• Escuta o tráfego nos nós sem fio;

• Guarda os pacotes monitorados por um intervalo de tempo T;

• Cada nó envia em broadcast mensagens de recepção.

COPE – Visão Geral

2. Codificação Oportunista

COPE – Visão Geral

Como combinar os pacotes de modo a obterO maior ganho possível?

2. Codificação Oportunista

COPE – Visão Geral

Regra:

3. Aprendendo o estado dos vizinhos• Através das mensagens de recepção;

• Através da tentativa de adivinhação

COPE – Visão Geral

• O quão benéfico é o COPE?

• Seu ganho de throughput depende das oportunidades de codificação, que por sua depende dos padrões de tráfego.

Entemdendo os Ganhos do COPE

Ganho com a codificação

DefiniçãoRazão entre o número de transmissões requeridas

pela abordagem sem codificação e o númeromínimo de transmissões requeridas pela

abordagem com codificação

Exemplo: Alice e BobSem codificação: 4 transmissõesCom codificação: 3 transmissões

Ganho com a codificação:

• Qual é a capacidade teórica de uma rede wireless que implementa o COPE?

• A capacidade de network coding genérico para tráfego unicast é ainda um problema em aberto.

• Entretanto é possível analisar algumas topologias básicas que revelam alguns fatores que afetam o COPE.

Ganho com a codificação

• Premissas:• Nós identicos;• Rádios omni-direcionais;• Sinal perfeitamente audível dentro

de um raio;• O sinal não é ouvido de forma

alguma fora do raio;• Se dois nós podem ouvir um ao

outro, o algoritmo de roteamento escolherá o link direto.

Ganho com a codificação

Ganho com a codificação

Na ausência de audição oportunista o ganhoMáximo devido a codificação tende a 2 conforme o

Número de nós intermediários aumenta.

Ganho com a codificação

Na ausência de audição oportunista não é possívelobter nenhum ganho pela codificação. Porém, com

a audição oportunista o ganho é igual a 1,33.

Ganho com a codificação

n1,n3 podem escutar n4,n5 e vice-versa.Transmissões sem codificação: 8Transmissões com codificação: 5

Ganho com a codificação: :

n1 n2 n3

n5

n4

Ganho com a codificação + MAC

O MAC tenta ser justo e divide igualmente a largura de banda entre todos os nós.

O nó intermediário tem que enviar o dobro detransmissões que os nós da ponta.

O nó intermediário se torna o gargaloMetade dos pacotes na fila do nó Intermediário são descartados.

Com o uso do COPE, o nó intermediária faz oXOR entre pares de pacotes, permitindo que tais pacotes sejam drenados duas vezes mais rápido.

Dessa maneira, o ganho pela junção entreCodificação e MAC para o exemplo de Alice e Bob

é 2.

Assume-se que todos os nós tem continuamentetráfego para enviar, mas está limitado pela

largura de banda alocada pela camada MAC.

Para topologias com um único gargalo, o ganhode codificação + MAC é calculado como a razão

entre a taxa de drenagem com COPE e a taxade drenagem sem o COPE.

Ganho com a codificação + MAC

Ganho com a codificação + MAC

• Não atrasar o envio de pacotes;• Dar preferência a fazer XOR com

pacotes de mesmo tamanho• XOR com pacotes de tamanhos

diferentes reduz a economia de largura de banda;

• Separa os pacotes nas categorias grande e pequeno;

• No XOR de pacotes de tamanhos diferentes, o menor sofre padding com 0s.

Implementação – Algoritmo deCodificação

• Não fazer XOR de pacotes destinados ao mesmo próximo salto;

• Não fazer XOR de pacotes gerados no próprio nó que está codificando;

• Nos dois casos anteriores o próximo salto não seria capaz de decodificar os pacotes;

• COPE mantêm duas filas virtuais por vizinho, uma para pacotes grandes e outra para pequenos;

Implementação – Algoritmo deCodificação

• Nó codifica n pacotes• é a probabilidade do próximo salto ter

o pacote i• A probabilidade do próximo salto

conseguir decodificar o pacote é:

Implementação – Algoritmo deCodificação

= x x...x

• Resumo:• Cada nó tem uma fila FIFO – Fila de

Saída;• Cada nó tem duas filas virtuais por

vizinho, uma para pacotes pequenos (< 100 bytes) e uma para pacotes grandes;

• As filas para um vizinho A contêm ponteiros para pacotes na file da saída cujo próximo salto é A

Implementação – Algoritmo deCodificação

• Resumo:• Cada nó mantém um Hashtable,

indexado pelo ID do pacote, que contém o packet info. Essa informação fornece a probabilidade de cada vizinho ter esse pacote.

Implementação – Algoritmo deCodificação

Implementação – Algoritmo deCodificação

Id Pacote Probabilidade

.

.

.

Pacotes Grandes

Pacotes Pequenos

Fila de Saída

HashTable

Estrutura dos Nós

• Cada nó mantém um hashtable, indexado pelo ID do pacote, onde os pacotes enviados, recebidos e monitorados pelo nó são guardados;

• De tempos em tempos esse hashtable é limpo;

• Quando um pacote tem que ser decodificado, o nó verifica os IDs dos pacotes que compõem o pacote codificado e recupera os mesmos do hashtable.

Implementação – Algoritmo deDecodificação

• Problema: usar 802.11 em modo broadcast ou unicast?• Broadcast não fornece

confiabilidade;• Broadcast não permite backoff,

reduzindo o throughput em virtude do excesso de colisões.

Implementação – Pseudo-Broadcast

• Solução: Pseudo-broadcasts• Pacotes codificados são enviados

em modo unicast;

• O endereço MAC de destino é setado para um dos destinatários;

• Após o cabeçalho de camada 2, é inserido o cabeçalho XOR que contém todos os destinatários daquele pacote;

Implementação – Pseudo-Broadcast

• Solução: Pseudo-broadcasts• Todos os Nós operam em modo

promíscuo e podem receber o pacote enviado;

• Se o endereço MAC do pacote recebido não bate com o do nó que o recebeu, esse checa o cabeçalho XOR;

• Se o nó for um dos destinatários, o pacote é processado. Caso contrário o pacote é armazenado.

Implementação – Pseudo-Broadcast

• Solução: Pseudo-broadcasts• Assim, o pacote é entregue a todos

os destinatários utilizando o modo unicast.

Implementação – Pseudo-Broadcast

Problema de confiabilidade e backoff resolvidos?

Não!

• Somente a camada MAC do real destinatário do pacote enviará ACK;

• Os pacotes enviados para os outros destinatários também podem ser perdidos.

• Um determinado nó que recebe um pacote codificado pode não ter informações suficientes para decodificar o mesmo e assim esse pacote é perdido.

Implementação – Pseudo-Broadcast

O COPE precisa então prover por contaprópria um sistema de ACKs e

Retransmissões!

• Pacotes nativos utilizam o esquema de ACKs e retransmissões do 802.11;

• Utilizar o mesmo esquema para pacotes codificados acarreta em um overhead excessivo;

• A solução proposta pelo COPE é utilizar ACKs assíncronos.

Implementação – ACKs Assíncronos e Retransmissões

• A utilização de ACKs assíncronos pode acarretar em reordenação dos pacotes;

• A reordenação é para o TCP um sinal de congestionamento;

• Dessa maneira, se muitos pacotes forem reordenados o TCP irá reduzir a taxa, reduzindo assim o throughput.

Implementação – ACKs Assíncronos e Retransmissões

SoluçãoOrdenar os pacotes antes de envia-los

Para a camada de transporte!

• Cada nó mantém um agente que intercepta os pacotes antes de serem enviados para a camada de transporte;

• Caso o pacote pertença a um fluxo TCP e o IP de destino seja o IP do nó em questão:• O agente verifica se o pacote

recebido não causará uma lacuna na sequência de pacotes.

• Caso contrário o pacote é encaminhado normalmente.

Implementação – Prevenção de Reordenação de Pacotes TCP

Implementação – Funcionamento

Resultados Experimentais – Topologias Simples

ObjetivoComparar os ganhos reais com os ganhos

teóricos já analisados.

1) Fluxos TCP: executado em três topologias diferentes (Alice e Bob, “X” e a topologia em curz)• O ganho de throughput foi medido

através de 40 execuções diferentes do experimento;

Resultados Experimentais – Topologias Simples

Resultados Experimentais – Topologias Simples

Alice e Bob

Resultados Experimentais – Topologias Simples

“X”

Resultados Experimentais – Topologias Simples

Cruz

Resultados Experimentais – Topologias Simples

Conclusão dos Experimentos com TCPQuando o tráfego realiza controle de

Congestionamento, o ganho de throughputObtido corresponde ao ganho por codificação e

Não ao ganho por MAC + codificação

2) O mesmo experimento foi realizado nas mesmas topologias, mas agora utilizando fluxos UDP

Resultados Experimentais – Topologias Simples

Resultados Experimentais – Topologias Simples

Alice e Bob

Resultados Experimentais – Topologias Simples

“X”

Resultados Experimentais – Topologias Simples

Cruz

Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

ObjetivoVerificar como o COPE se comporta em

uma rede ad hoc real.

1) Fluxos TCP• Os fluxos chegam de acordo com a

distribuição de Poisson;• A origem e o destino dos pacotes

são escolhidos aleatoriamente dentre os 20 nós possíveis;

Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

1) Fluxos TCP• Foi notado um ganho insignificante

(2-3%)

Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

TerminaisOcultos

Grande n•De Colisões

TCP ReduzA Taxa

Poucas Oportunidades deCodificação

Mau Uso doMeio

Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

1) Fluxos TCP• Se removermos as perdas devidas a

colisões os fluxos TCP se beneficiariam do COPE?

• Todos os 20 nós da rede foram dispostos de tal forma que estivessem dentro do alcance da detecção de portadora uns dos outros;

• O grafo de roteamento e a taxa de erros dentro dos nós foram mantidas.

Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

1) Fluxos UDP• Chegadas Poisson;• Origem e destino escolhidos

aleatoriamente;• Carga na rede inserida através do

alteração na taxa de chegada;• Para cada taxa de chegada (25 no

total) foram realizados 10 experimentos com o COPE ligado e 10 com o mesmo desligado.

Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

Quanto da codificação é devida às mensagens de recepção e quanto é devida

à adivinhação?

Se n pacotes são codificados e desses npacotes, k pacotes são codificados devidoà mensagens de recepção, n-k pacotes são

codificados devido à adivinhação.

Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

Resultados Experimentais – Rede Mesh Real

ObjetivoVerificar como o COPE se comporta em

uma rede mesh real.

• Fluxos UDP;• De e para o gatway mais próximo• Nós do testbed divididos em quatro

conjunto;• Cada conjunto se comunica com a

Internet através de um nó que faz o papel do gatway;

• Experimento controlado através da variação da razão entre o tráfego de upload e o tráfego de download.

Resultados Experimentais – Rede Mesh Real

Resultados Experimentais – Rede Mesh Real

Resultados Experimentais – Rede Mesh Real

Resultados Experimentais – Rede Mesh Real

• O artigo apresentou o COPE – Sistema que tenta tirar proveito da natureza de trasmissões broadcast presentes nas redes wireless para realizar o processo de codificação de pacotes, com o objetivo de aumentar o throughput.

• Em geral, o COPE apresentou um grande ganho no throughput.

Conclusão

• Alguns comportamentos nos gráficos não foram bem explicados;

• Alguns parâmetros mostrados nos gráficos não foram bem definidos.

Críticas